DE10136164A1

DE10136164A1 - Mikromechanisches Bauelement

Info

Publication number: DE10136164A1
Application number: DE10136164A
Authority: DE
Inventors: Hubert Benzel; Heribert Weber; Michael Bauer; Hans Artmann; Thorsten Pannek; Frank Schaefer; Christian Krummel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Paragon AG
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2003-02-20
Also published as: US20040021184A1; WO2003012420A1; US6906392B2; EP1412731A1; JP2004522174A

Abstract

Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat (10) und einer auf dem Substrat (10) aufgebrachten Deckschicht (40), wobei unterhalb der Deckschicht (40) ein die Deckschicht (40) mechanisch unterstützender und thermisch isolierender Bereich (30; 30') aus porösem Material vorgesehen ist. Auf der Deckschicht (40) ist eine Heizeinrichtung (70) zum Heizen der Deckschicht (40) oberhalb des Bereichs (30; 30') vorgesehen, und oberhalb des Bereichs (30; 30') ist eine Erfassungseinrichtung (200, 200') zum Erfassen einer elektrischen Eigenschaft eines oberhalb des Bereichs (30; 30') auf der Deckschicht (40) vorgesehenen geheizten Mediums (150) vorgesehen.

Description

STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat und einer auf dem Substrat aufgebrachten Deckschicht, wobei unterhalb der Deckschicht ein die Deckschicht mechanisch unterstützender und thermisch isolierender Bereich aus porösem Material vorgesehen ist.
Obwohl auf beliebige mikromechanische Bauelemente und Strukturen, insbesondere Sensoren und Aktuatoren, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf einen in der Technologie der Silizium-Oberflächenmikromechanik herstellbaren mikromechanischen Luftgütesensor erläutert.
Bisherige Luftgütesensoren werden mit einem gassensitiven Material auf einer Keramik realisiert. Das gassensitive Material ändert seinen Widerstand und/oder seine dielektischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Konzentration des zu detektierenden Gases. Um eine gute Empfindlichkeit zu erhalten, muß das gassensitive Material beheizt werden. Nachteilig hierbei ist die Verwendung einer Keramik und die damit verbundene große Bauform hinsichtlich der großen aufzuwendenden Heizleistung und der langen Ansprechzeit.
Das Verfahren, Silizium porös zu ätzen ("Anodisieren"), gehört zum Stand der Technik und ist in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben. Das Verfahren, unter einer porösen Silizium Schicht einen Hohlraum zu erzeugen, wurde ebenfalls bereits veröffentlicht (G. Lammel, P. Renaud, "Free-standing, mobile 3D microstructures of porous silicon", Proceedings the 13th European Conference on Solid-State Transducers, Eurosensors XIII, Den Haag, 1999, 535-536).

VORTEILE DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, daß eine einfache und kostengünstige Herstellung eines Bauelements mit thermisch entkoppeltem beheizbarem Deckschichtbereich, auf dem eine Erfassungseinrichtung vorgsehen ist, möglich ist.

Z. B. durch die Verwendung von porösem Silizium kann relativ einfach eine tiefe Kaverne mit einer darüberliegenden Deckschicht hergestellt werden. Desweiteren besteht die Möglichkeit, einen definierten Bereich auf einem Wafer bis zu einer definierten Dicke pörös zu machen und als Option aufzuoxidieren, um ein stabiles Gerüst mit geringer thermischer Leitfähigkeit zu erzeugen.

Bei der beispielhaften Realisierung eines Luftgütesensors mit diesem Verfahren erhält man folgende weitere Vorteile:

- Geringe Leistungsaufnahme aufgrund guter thermischer Entkopplung
- Integration eines Sensorelements auf dem Chip
- Mögliche Integration einer Schaltung auf dem Sensorelement
- Sehr kleine Baugröße mit beliebiger Geometrie des porösen Bereichs
- Geringe Ansprechzeit aufgrund der kleinen Masse, die umtemperiert werden muß
- kapazitive oder resistive Auswertung möglich
- unterschiedliche Materialien für Heiz- und/oder Meßwiderstände bzw. -elektroden verwendbar
- mehrere gassensitive Materialien auf einem Chip einsetzbar

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, daß auf der Deckschicht eine Heizeinrichtung zum Heizen der Deckschicht oberhalb des Bereichs vorgesehen ist; und oberhalb des Bereichs eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer elektrischen Eigenschaft eines oberhalb des Bereichs auf der Deckschicht vorgesehenen geheizten Mediums vorgesehen ist.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen mikromechanischen Bauelements.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das poröse Material aus dem Substratmaterial gebildet. Dies ist insbesondere bei einem Siliziumsubstrat leicht möglich.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist unterhalb des Bereichs aus porösem Material ein Hohlraum gebildet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Deckschicht dadurch gebildet, daß die Substratoberfläche und die Oberfläche des porösen Bereichs oxidiert sind. So läßt sich die Abscheidung einer zusätzlichen Deckschicht einsparen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Bereich aus porösem Material vollständig oxidiert. Eine derartige Oxidation ist aufgrund der porösen Struktur leicht möglich und erhöht das thermische Isolationsvermögen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Bauelement ein Luftgütesensor, wobei das Medium ein gassensitives Medium ist und die Erfassungseinrichtung eine Kapazitätserfassungseinrichtung und/oder eine Widerstandserfassungseinrichtung aufweist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Erfassungseinrichtung auf der Deckschicht angeordnete Leiterbahnen auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Erfassungseinrichtung auf der Isolierschicht angeordnete Leiterbahnen auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung verläuft die Heizeinrichtung zumindest teilweise unterhalb des Mediums.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Luftgütesensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2-4 Herstellungsschritte zur Herstellung des Luftgütesensors nach Fig. 1;
Fig. 5-6 Herstellungsschritte zur Herstellung eines Luftgütesensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine Querschnittsansicht auf einen Luftgütesensor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 8-9 Herstellungsschritte zur Herstellung eines Luftgütesensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
Fig. 1 ist eine Aufsicht auf einen Luftgütesensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 6 Kontaktflächen bzw. Kontaktpads, 10 ein Halbleitersubstrat, 40 eine auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 befindliche Deckschicht und 300 die Grenze eines Bereichs, in dem unter der Deckschicht 40 ein die Deckschicht 40 mechanisch unterstützender und thermisch isolierender Bereich 30 (vgl. z. B. Fig. 3) aus porösem Material vorgesehen ist. Im vorliegendem Fall ist das Substratmaterial Silizium und das poröse Material anodisiertes (porös geätztes) Silizium.
Desweiteren bezeichnet Bezugszeichen 50 eine über der Deckschicht 40 vorgesehene Isolierschicht, 70 einen jeweiligen Heizwiderstand zwischen Deckschicht 40 und Isolierschicht 50, 350 die Grenze eines Bereichs, in dem die Isolierschicht 50 über der Deckschicht 40 entfernt ist, 200 einen jeweiligen auf der Deckschicht 40 liegenden Interdigitalkondensator sowie 150 ein gassensitives Material, mit dem die Interdigitalkondensatoren bedeckt sind.
Zum Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Sensorstruktur wird das gassensitive Material 150 durch die Heizwiderstände 70 beheizt und die Kapazität der Interdigialkondensatoren 200 in an sich bekannter Art und Weise gemessen. Das gassensitive Material ändert seine dielektischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Konzentration des zu detektierenden Gases. So läßt sich die Gasgüte bzw. Konzentration bestimmen.
Fig. 2-4 sind Herstellungsschritte zur Herstellung des Luftgütesensors nach Fig. 1.
In Fig. 2 bezeichnen zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 15 eine Maske, beispielsweise eine Lackmaske, und 100 Schaltungsbestandteile einer nicht näher erläuterten Sensorschaltung. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Substrat 10 handelt es sich um ein Siliziumsubstrat.
Gemäß Fig. 3 wird mit dem bekannten Verfahren des porösen Ätzens eine Struktur erzeugt, bei dem das Substratmaterial in einem bestimmten Bereich 30 porös gemacht und anschließend ein Hohlraum 20 unter dem porösem Bereich 30 gebildet wird, also ein Teil des porösen Bereich 30 entfernt wird, was zu der in Fig. 3 gezeigten Struktur führt.
Um die in Fig. 4 gezeigte Struktur herzustellen, wird nach dem Entfernen der Maske 15 der poröse Bereich 30 durch Abscheiden der Deckschicht 40, welche beispielsweise aus Nitrid, Oxid, Oxinitrid, Siliziumcarbid oder Poly-Silizium besteht, verschlossen. Eine weitere Möglichkeit zur Bildung der Deckschicht 40 besteht darin, die Substratoberfläche und die Oberfläche des porösen Bereichs 30 zu oxidieren.
Dieses luftdichte Verschließen des Hohlraums 20 muss dabei nicht zwingend nach der Herstellung des Hohlraums 20 erfolgen, sondern kann auch als eine der letzten Prozeßschritte ausgeführt werden. Letzteres hat den Vorteil, dass während der Prozessierung die Deckschicht 40 nicht ausbeult und so zu Abbildungsfehlern bei einem Strukturierungsprozeß führt. Der sich letztendlich einstellende Innendruck in dem Hohlraum 20 ist abhängig von den bei der Abscheidung bzw. Oxidation herrschenden Druckverhältnissen.
Auf der Deckschicht 40 werden dann die Meßkapazitäten des Interdigitalkondensators 200, die Heizwiderstände 70 und optional nicht dargestellte Meßwiderstände erzeugt. Es können zwischen der Deckschicht 40 und den Leiterbahnen der Heizwiderstände 70 bzw. oberhalb der Leiterbahnen weitere Funktionsschichten aufgebracht und strukturiert werden.
Oberhalb der Meßkapazitäten des Interdigitalkondensators 200 wird nach Aufbringen der Isolierschicht 50, die die gebildete Struktur vor Umwelteinflüssen schützt, das gassensitive Material 150 aufgebracht, das seine dielektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Konzentration eines zu erfassenden Gases ändert.
Die vorliegende Ausführungsform weist einen Hohlraum 20 mit eingeschlossenem Vakuum unter der Deckschicht 40 und dem Bereich 30 auf, um eine gute thermische Isolation zum Substrat 10 zu gewährleisten, wenn das gassensitive Material 150 durch die Heizwiderstände 70 aufgeheizt wird.
Fig. 5-6 sind Herstellungsschritte zur Herstellung des Luftgütesensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der mit Bezug auf Fig. 5 und 6 gezeigten zweiten Ausführungsform wird kein Hohlraum unter dem porös gemachten Substratbereich 30' gebildet, sondern nach dem Entfernen der Maske 15 der poröse Bereich 30' unmittelbar durch Abscheiden der Deckschicht 40 bzw. durch die Oxidation verschlossen.
Die (nicht gezeigte) Oxidation hat dabei den Vorteil, dass das Oxid eine geringere thermische Leitfähigkeit besitzt als das Silizium somit eine bessere Entkopplung zum Substrat 10 gewährleistet werden kann. Auf der Deckschicht 40 werden wie bei der ersten Ausführungsform die Leiterbahnen etc. erzeugt.
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht auf einen Luftgütesensor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der in Fig. 7 gezeigten dritten Ausführungsform sind die Heizwiderstände 70 auf der Deckschicht 40 vorgesehen und die Meßkapazitäten der Interdigitalkondensatoren 200' auf der Isolierschicht 50 vorgesehen, nicht also wie bei den obigen Ausführungsbeispielen direkt auf der Deckschicht 40. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Heizstruktur direkt unter das gassensitive Material 150 gelegt werden kann.
Fig. 8-9 Herstellungsschritte zur Herstellung eines Luftgütesensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß Fig. 8 ist ein zweischichtiges Substrat 10', 10" vorgesehen, bei dem auf einem Wafersubstrat 10' eine Epitaxieschicht 10" vorgesehen ist. Die Auswerteschaltung 100 ist durch einen vergrabenen Bereich 110 zusätzlich isoliert. Eine derartige Ausbildung hat den Vorteil, dass die Ausbildung des porösen Bereichs 30, 30' auf den unteren Wafersubstrat 10' bei entsprechender Dotierung der Bestandteile 10', 10", gestoppt werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
In den obigen Beispielen ist der erfindungsgemäße Luftgütesensor in einfachen Formen zur Erläuterung ihrer Grundprinzipien aufgeführt worden. Kombinationen der Beispiele und wesentlich kompliziertere Ausgestaltungen unter Verwendung derselben Grundprinzipien sind selbstverständlich denkbar.
Beispielsweise kann anstatt der Veränderung der dielektrischen Eigenschaften auch die Veränderung des elektrischen Widerstands des Mediums, z. B. des gassensitiven Mediums, mittels entsprechender Meßelektroden erfaßt werden.
Weiterhin ist es möglich, nach oder zwischen den obigen Prozeßschritten den porösen Bereich 30, 30' selektiv zu ätzen.
Dazu können in der Deckschicht 40 eine oder mehrere Öffnungen realisiert werden, durch die ein selektiv wirkendes Ätzmedium im flüssigen oder gasförmigen Zustand den porösen Bereich teilweise oder vollständig herauslösen kann. Die Öffnungen können anschließend wieder verschlossen werden, wobei dabei bevorzugt ein Vakuum in dem Hohlraum 20 eingeschlossen wird, um eine optimale thermische Entkopplung zwischen Deckschicht 40 und Substrat 10 zu gewährleisten. Die Öffnungen können auch bewusst nicht geschlossen werden. Dadurch kann der mittlere Deckschichtbereich mit Funktionselementen so gestaltet werden, dass er nur noch mit wenigen Stegen mit dem Substrat außerhalb der Kaverne verbunden ist (z. B. Verbindung nur über zwei Stege in Form einer Brücke).
Möglich ist weiterhin die zusätzliche Integration eines Temperaturfühlers auf der Deckschicht oberhalb des porösen Bereichs, um die gewünschte Temperatur genau einzustellen bzw. zu regeln.
Weiterhin möglich ist es, unterschiedliche Medien auf der Deckschicht bzw. der Isolierschicht oberhalb des porösen Bereichs vorzusehen, welche auf verschiedene Gase sensitiv sind. So könnten mehrere Gase mit dem gleichen Sensorelement erfasst werden.
Weiterhin ist es möglich, den porösen Bereich durchgehend bis zur Substratunterseite zu realisieren.
Es können schließlich auch beliebige mikromechanische Grundmaterialien verwendet werden, und nicht nur das exemplarisch angeführte Siliziumsubstrat.
Weiterhin können die in Fig. 7 nicht gezeigten elektrischen Zuleitungen zu den Interdigitalstrukturen sich unter einer elektrisch isolierenden Schutzschicht befinden. Weiterhin kann die elektrische Anbindung durch Kontaktlochöffnungen in der Isolierschicht mit elektrischen Zuleitungen erfolgen, die sich in der gleichen Ebene befinden wie die Heizwiderstände 70. BEZUGSZEICHENLISTE 10; 10', 10" Si-Substrat
6 Kontaktpads
40 Deckschicht
300 Grenze poröser Bereich unter 40
350 Grenze Bereich ohne Isolierschicht
70 Heizwiderstand
200, 200' Interdigitalkondensator
150 gassensitives Medium
15 Maske
100 Auswerteschaltung
110 Buried Layer
20 Hohlraum
30, 30' poröser Bereich
50 Isolierschicht

Claims

1. Mikromechanisches Bauelement mit:
einem Substrat (10); und
einer auf dem Substrat (10) aufgebrachten Deckschicht (40);
wobei
unterhalb der Deckschicht (40) ein die Deckschicht (40) mechanisch unterstützender und thermisch isolierender Bereich (30; 30') aus porösem Material vorgesehen ist;
dadurch gekennzeichnet, daß
auf der Deckschicht (40) eine Heizeinrichtung (70) zum Heizen der Deckschicht (40) oberhalb des Bereichs (30; 30') vorgesehen ist; und
oberhalb des Bereichs (30; 30') eine Erfassungseinrichtung (200, 200') zum Erfassen einer elektrischen Eigenschaft eines oberhalb des Bereichs (30; 30') auf der Deckschicht (40) vorgesehenen geheizten Mediums (150) vorgesehen ist.

2. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material des Bereichs (30; 30') aus dem Substratmaterial gebildet ist.

3. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Bereichs (30) aus porösem Material ein Hohlraum (20) gebildet ist.

4. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (40) dadurch gebildet ist, daß die Substratoberfläche und die Oberfläche des porösen Bereichs (30; 30') oxidiert sind.

5. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (30; 30') aus porösem Material vollständig oxidiert ist.

6. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ein Luftgütesensor ist, wobei das Medium (150) ein gassensitives Medium ist und die Erfassungseinrichtung (200, 200') eine Kapazitätserfassungseinrichtung und/oder eine Widerstandserfassungseinrichtung aufweist.

7. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (200, 200') auf der Deckschicht (40) angeordnete Leiterbahnen (200) aufweist.

8. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (200, 200') auf der Isolierschicht (50) angeordnete Leiterbahnen (200') aufweist.

9. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (80) zumindest teilweise unterhalb des Mediums (150) verläuft.